地鐵運營初期部分機電設備精細化運行時間表制定策略

宋吉鵬

(青島地鐵集團有限公司運營分公司，266100，青島 ∥ 工程師)

地鐵通風空調系統、照明系統等機電設備運行費用在地鐵運營成本中占比相當大，其運行能耗約占地鐵總能耗的1/3～1/2[1-3]，尤其在線路運營初期，此占比甚至會超過1/2。在運營服務時間內，通風空調系統、照明系統等機電設備的運行時間及運行模式，既會直接影響地鐵運營時的乘車環境，又會直接影響其用電負荷。而機電設備運行時間表是地鐵控制中心綜合監控系統中用于編制所轄線路各站通風空調系統(包括車站大系統、車站小系統、隧道通風系統)、照明系統運行時間及執行模式的功能模塊。因此，能否制定科學、合理、精細的機電設備運行時間表，不僅事關機電設備的智能運行情況，而且還會間接影響地鐵運營時的服務水平和節能效果。目前國內鮮有對機電設備運行時間表的研究，本文將以青島地鐵2號線為例，根據線路運營初期的實際情況，闡述機電設備運行時間表的優化制定過程。

1 原機電設備運行時間表簡介

青島地鐵2號線機電設備運行時間表主要是根據青島市年平均氣溫變化趨勢、單日氣溫變化特征及日出日落時間，并結合線路運營時間等來制定的。通風空調系統運行時間表的制定，首先是根據青島市年平均氣溫變化趨勢將其運行季劃分為空調季、過渡季和冬季3個時段，然后再根據各運行季時段單日氣溫的變化特征及線路運營時間，制定其詳細的運行時間表[4]。照明系統的運行時間表則是直接根據日出日落時間及線路運營時間來制定的。青島地鐵2號線優化前的通風空調系統、照明系統運行時間表分別如表1、表2所示。

表1 青島地鐵2號線通風空調系統運行時間表

表2 青島地鐵2號線照明系統運行時間表

2 精細化機電設備運行時間表制定

精細化機電設備運行時間表是以車站為單位、以各車站的首末班車時間為基本依據，結合相關通風時間計算結果等制定的。其制定原則為“滿足運營服務需求，盡量減少電能浪費”。本文詳細闡述青島地鐵2號線地鐵照明系統、車站大系統、隧道通風系統精細化運行時間表的制定策略。

2.1 車站首末班車時間統計及歸類

以青島地鐵2019年某號運作命令為依據，統計2號線東段各車站的首末班車時間。部分統計結果如表3所示。

表3 青島地鐵2號線東段部分車站2019年首末班車時間統計

由表3可見，由于上下行列車相向而行，首班車最早到站時間為李村公園站，最遲到站時間為高雄路站；末班車最早離站時間為高雄路站，最遲離站時間為李村公園站。相鄰車站首末班車到站時間間隔，即列車在區間的運行時間，其范圍在1～5 min之間，大部分到站時間間隔為2 min。鑒于此，地鐵機電設備運行時間表精細化制定的最小時間段應以2 min間隔起。考慮到車站的相關運作情況及設計制定的便利性，本文以10 min間隔為最小時間段來制定。基于上述考慮，2號線列車最早到站時間按06:00、06:10、06:20、06:30來設計制定，最遲離站時間按23:10、23:20、23:30、23:40來設計制定。各站列車最早到站時間和最遲離站時間統計歸類分別如表4、表5所示。

表4 青島地鐵2號線各站的列車最早到站時間統計歸類

表5 青島地鐵2號線各站的列車最遲離站時間統計歸類

2.2 照明系統精細化運行時間表制定

通過查閱青島市的日出日落時刻得出，2號線東段所有車站所在區域的日出日落時刻相差不超過1 min。此外通過觀察得出，天氣良好的情況下，天亮時刻比日出時刻通常早25 min，天黑時刻比日落時刻通常晚25 min；日出前10 min和日落后10 min，天空亮度均可滿足乘客進出站的亮度需求。同時為給站內人員提供巡查車站相關照明設備設施時間和運營前/后準備時間，需提前/延后約30 min開啟/關閉車站照明。綜合以上所有要求和條件，并結合各站列車最早到站時間和最遲離站時間統計歸類表，精細化制定了照明系統運行時間表。其中冬天某個典型時間段的照明系統運行時間如表6所示。

由表6與表2相比較可知，車站照明關閉時間(即夜間停運模式時間)比之前延長10 min、30 min、40 min、50 min、60 min、70 min的車站分別有2個、2個、2個、4個、5個、1個，合計總延長關閉時間為730 min，相當于每天節省了一個車站三分之二的照明能耗。

表6 青島地鐵2號線冬天(1月1日至2月5日)某個典型時間段的照明系統精細化運行時間表

2.3 通風空調系統精細化運行時間表制定

通風空調系統的運行時間與車站環境密切相關，需著重考慮車站的空氣新鮮度和舒適度，下面就車站大系統和隧道通風系統運行時間表的精細化制定進行分別介紹。

2.3.1 車站大系統

2.3.1.1 車站公共區一次換氣時間計算

2號線典型車站的大系統采用一次回風全空氣系統，由空調新風機、組合式空調機組、回/排風機、排煙風機等設備以及相關的輔助設備組成。有關設備的相關參數為：組合式空調機組(AHU)A、B端各1臺，風機風量為65 000 m3/h，功率為22 kW；回/排風機(RAF-101、201)A、B端各1臺，風機風量為48 000 m3/h，功率為15 kW。

通過查閱設計資料得知，2號線某車站站廳層公共區面積為1 651 m2，站臺層公共區面積為1 205 m2；另一車站站廳層公共區面積為1 592.4 m2，站臺層公共區面積為956 m2。為考慮通風余量，將每個站的站廳層公共區面積按1 700 m2計算，站臺層公共區面積按1 250 m2計算。層高按裝修高度計算，其中站廳層層高為3.3 m，站臺層層高為3.0 m。據此計算車站公共區空間體積V公共區=9 360 m3，考慮到通風余量，將車站公共區空間按9 500 m3計算。車站大系統正常運行時，送風量明顯大于排風量，故按送風量計算換氣時間。車站大系統風機50 Hz頻率運行時，按送風量Q送計算一次換氣時間t=V公共區/Q送=263.1 s，約4.4 min；車站大系統風機30 Hz頻率運行時，則t=438.5 s，約7.3 min。因此，風機按50 Hz頻率運行時，車站公共區換一次新風大約需5 min，若計算風道存風量，車站公共區換一次新風大約需6 min；風機按30 Hz頻率運行時，車站公共區換一次新風大約需8 min，若計算風道存風量，車站公共區換一次新風大約需9 min。

2.3.1.2 車站大系統精細化運行時間表

在過渡季階段，應保證剛開始運營時能完成一次換氣，因此大系統須在首班車到站前10 min開啟通風，運營結束后停止通風即可；在空調季階段，7:00左右人流量開始進入高峰期，根據青島氣候特點,6:30之前保持正常通風、6:30之后開啟冷水機組即可[5]，運營結束時提前10 min關停冷水機組即可；在冬季階段,可以采取間歇性通風的方式，所有車站在早晚高峰時段及中午時段(7:00-9:00、12:00-15:00、17:00-19:00)運行通風模式，其余時間運行停運模式。據此制定的大系統精細化運行時間如表7所示。

表7 青島地鐵2號線車站大系統精細化運行時間表

由表7與表1相比較可知，車站大系統停運時間比之前延長10 min、20 min、30 min、40 min的車站分別有2個、4個、5個、1個，縮短10 min、20 min的車站分別各有2個，合計總延長停運時間為230 min，相當于每天節省了1個車站四分之一的大系統運行能耗。

2.3.2 隧道通風系統

2.3.2.1 區間隧道一次換氣時間計算

2號線區間隧道通風系統由隧道風機、軌道排風機、射流風機等設備以及相關的輔助設備組成。其中，軌道排風機、射流風機不參與早晚隧道通風，不納入計算范圍。隧道風機的相關參數為：隧道風機(TVF)A、B端各2臺，風機風量為60 m3/s，功率為90 kW，可正反轉變頻運行。

通過查閱設計資料得知，某區間1、區間2、區間3、區間4分別為馬蹄形隧道、圓形隧道、馬蹄形隧道、馬蹄形隧道，半徑分別為2.6 m、2.7 m、2.6 m、2.6 m，區間長度分別為610 m、915 m、760 m、850 m。為計算方便，區間隧道橫截面積統一按圓形計算。利用上述參數進行計算，圓形區間隧道橫截面積為21.24 m2，馬蹄形區間隧道橫截面積為22.90 m2，為考慮通風余量，將區間隧道橫截面積近似取值為23 m2。按較長區間計算區間隧道空間，選取區間2以及區間2至區間4(連續3個區間)進行計算，計算結果為：區間2隧道空間體積V區間2=21 045 m3；區間2至區間4隧道空間體積V區間2～4=61 433 m3。當每個車站4臺隧道風機正常開啟時，區間風量Q隧基本在57～59 m3/s之間；關閉連續2個車站所有隧道風機時，此區間風量Q隧1基本在50～55 m3/s之間[5]，取最小區間風量值對上述區間的一次換氣時間進行計算，結果為：區間一次換氣時間t區間2=V區間2/Q隧≈369.2 s，約6.2 min；區間2至區間4一次換氣時間t區間2～4=V區間2～4/Q隧1=1 228.66 s，約20.5 min。由上述計算結果可知，單個區間一次換氣可在7 min內完成，長區間(連續3個區間)一次換氣時間可在25 min內完成。

2.3.2.2 隧道通風系統精細化運行時間表

GB 50157—2013《地鐵設計規范》對區間隧道早晚通風情況并未做具體要求，只明確區間隧道內二氧化碳的日平均濃度應小于1.5‰，區間隧道內的溫度應在5～40 ℃之間。通過查閱相關文獻，對隧道通風系統早晚通風的主要作用總結如下：利用室外空氣對地鐵隧道進行預冷卻和通風，排除隧道內的余熱和相關污染物；同時還可以檢查隧道風機、風閥等設備的運行狀況，確保區間發生火災、阻塞事故時能及時投用[6]。結合2號線區間隧道內環境參數可得出，在地鐵運營初期隧道通風換氣一次即可滿足上述要求。

區間隧道早晚通風的常規做法是，每個站均開啟所有隧道風機，相鄰車站分別采取送風、排風模式間隔運行，形成推挽式的區間隧道通風，如圖1所示。若考慮節能或減少噪聲等因素，還可采取隔站開啟隧道風機的模式，如圖2所示[6-7]。其缺點是若一個區間有環境問題則可能影響到相鄰區間。隔站開啟模式下，運行與停機的相關各站應在相同間隔時間里依次輪流更換狀態模式，保證各站在每個周期(通常為一個月)內均開機運行過。此外可根據環網供電分區將車站劃分為不同的大組，每個大組里相鄰的兩個車站為一小組，各個小組依次間隔30～60 s開啟隧道風機，以減少啟動時的線損。

圖1 地鐵隧道早晚通風各站隧道風機均開啟的通風模式

圖2 地鐵隧道早晚通風隧道風機隔站開啟的通風模式

考慮到青島市靠近海邊，整體濕度較大，地鐵隧道通風時間越長，越會加重地鐵隧道相關設備的腐蝕程度，因此應盡量縮短地鐵隧道通風時間(或取消夜間地鐵隧道通風，只保留運營前地鐵隧道通風)。此外，考慮到夏天通風時間長會使地鐵隧道內溫度上升，冬天通風時間長則可能會使地鐵隧道內溫度過低，因此在夏冬季節也應適當縮短地鐵隧道通風時間。據此制定的精細化隧道通風時間表如表8所示。

由表8與表1相比較可知，隧道通風系統運行時間進行優化調整后，每天可節省一半以上的隧道通風系統運行能耗，節能效果顯著。

表8 青島地鐵2號線隧道通風系統精細化運行時間表

3 運行時間表優化前后能耗對比分析

以過渡季典型日為例，青島地鐵2號線原時間表與精細化時間表下的總運營能耗，以及牽引、動力及照明、線損、其他三方面的能耗及占比如表9所示。由表9可知，每天全線在動力及照明方面可節約能耗約4 000 kWh。實踐證明，運營初期的精細化時間表運行效果良好，節能效果明顯。此外，對地鐵運營遠期時的機電設備運行時間表還需做持續的深入研究。

表9 青島地鐵2號線原時間表與精細化時間表下的單日能耗對比表

4 結語

機電設備運行時間表是自動控制技術在地鐵相關系統控制中的重要體現，其可替代車站人員每天的重復開關操作。制定合理、科學、精細的運行時間表，不僅有利于地鐵相關機電設備系統的合理運行，還可達到良好的節能效果。本文根據青島地鐵2號線的相關設備參數、車站和隧道空間參數、運營首末班車時間等，并結合當地環境條件和一次通風時間等計算結果，在滿足運營要求的條件下，制定了精細化、節能化的照明系統、通風空調系統運行時間表。該時間表既可滿足各站的運營需求，又可避免不必要的電能浪費，有效降低全線的照明用電、動力用電等。